[论文解读] Anisotropy Reversal of the Upper Critical Field at Low Temperatures and Spin-Locked Superconductivity in K2Cr3As3

Fedor Balakirev, Tai Kong+6 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Iron-based superconductors research被引用 9

一句话总结

本研究揭示了K₂Cr₃As₃上临界场中的各向异性反转现象，其中垂直于Cr链方向的Hc2在低于约4 K时超过平行于链方向的Hc2，表明存在自旋锁定的单重态超导。高达60 T的高场脉冲磁测量显示，沿链方向为泡利限制行为，而垂直方向则为轨道限制行为，解决了先前低场测量中的矛盾解释，并表明存在具有面内约瑟夫森耦合及三维能带贡献的1D超导态。

ABSTRACT

We report the first measurements of the anisotropic upper critical field $H_{c2}(T)$ for K$_{2}$Cr$_{3}$As$_{3}$ single crystals up to 60 T and $T > 0.6$ K. Our results show that the upper critical field parallel to the Cr chains, $H_{c2}^\parallel (T)$, exhibits a paramagnetically-limited behavior, whereas the shape of the $H_{c2}^\perp (T)$ curve (perpendicular to the Cr chains) has no evidence of paramagnetic effects. As a result, the curves $H_{c2}^\perp (T)$ and $H_{c2}^\parallel(T)$ cross at $T\approx 4$ K, so that the anisotropy parameter $γ_H(T)=H_{c2}^\perp/H_{c2}^\parallel (T)$ increases from $γ_H(T_c)\approx 0.35$ near $T_c$ to $γ_H(0)\approx 1.7$ at 0.6 K. This behavior of $H_{c2}^\|(T)$ is inconsistent with triplet superconductivity but suggests a form of singlet superconductivity with the electron spins locked onto the direction of Cr chains.

研究动机与目标

• 为解决K₂Cr₃As₃中配对对称性解释的矛盾，特别是三重态与单重态配对的争议。
• 测量高达60 T的各向异性Hc2的完整温度依赖关系，以避免由低场数据外推带来的误差。
• 确定在不同晶轴方向中，是泡利配对破坏效应还是轨道效应主导Hc2。
• 研究三维能带与面内约瑟夫森耦合在降低Hc2各向异性中的作用，尽管存在准1D的Cr链。
• 在具有1D特征与较大初始Hc2斜率的特殊组合下，明确K₂Cr₃As₃中超导性的本质。

提出的方法

• 采用无接触邻近探测振荡器（PDO）技术，在单晶样品中沿Cr链方向与垂直于Cr链方向进行高达60 T的高场脉冲磁测量。
• 通过120 ms磁脉冲期间谐振射频线圈的频率偏移，提取各向异性上临界场Hc2(T)。
• 在正常态下测量直流磁化率χ(T)，以确认样品的各向异性和取向。
• 利用金兹堡-朗道理论分析数据，估算相干长度与有效质量，并采用类似BCS的Hc2(T)方程对轨道限制行为进行建模。
• 考虑双带模型以解释适中的各向异性，结合准1D的α/β带与三维的γ带贡献。
• 通过将Hc2斜率与泡利极限（Hp = 1.84Tc）比较，评估泡利配对破坏效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 上临界场Hc2(T)在沿Cr链方向是否表现出泡利配对破坏行为？其与垂直方向相比如何？
• RQ2 为何各向异性参数γH(T)从Tc处的~0.35增加到0.6 K处的~1.7，表明各向异性反转？
• RQ3 所观测到的Hc2(T)行为能否由三重态超导解释？还是更支持其他配对机制？
• RQ4 三维γ带在降低整体Hc2各向异性方面起到何种作用，尽管存在准1D的Cr链？
• RQ5 自旋锁定与Cr链之间的约瑟夫森耦合如何影响观测到的Hc2(T)行为？

主要发现

• 沿Cr链方向的Hc2∥(T)表现出清晰的泡利限制行为，Tc处斜率约为12 T/K，与泡利配对破坏一致。
• 垂直于Cr链方向的Hc2⊥(T)未显示泡利配对破坏的证据，且在低温下显著增加，在约4 K处与Hc2∥(T)相交。
• 各向异性参数γH(T) = Hc2⊥/Hc2∥从Tc处的0.35增加至0.6 K处的1.7，表明各向异性反转。
• Hc2⊥(0) ≈ 37 T与轨道限制行为一致，暗示横向相干长度ξ⊥(0) ≈ 2.2 nm，超过链间间距。
• 适中的质量各向异性（m⊥/m∥ ≈ 3）与有限的Hc2⊥(0)表明Cr链之间存在显著的面内约瑟夫森耦合。
• 三维γ带可能对Hc2有贡献并降低整体各向异性，类似于其在MgB2中的作用，即使超导性主要为1D。